بدن یک مجموعهٔ هماهنگ از سلول‌های تخصص‌یافته است
فیزیولوژی به دنبال توضیح عملکرد موجود زنده و مکانیسم‌های فیزیکی و شیمیایی پشت آن است. فیزیولوژی انسان این عملکردها را از سطح مولکول و ژن تا سلول، بافت، اندام و کل بدن به یکدیگر وصل می‌کند. اصل مهم فصل این است که عملکرد هماهنگ بدن بیش از جمع سادهٔ عملکرد اجزای آن است؛ چون این اجزا دائماً با سیستم‌های کنترلی با هم ارتباط دارند.
میکروبیوتا فقط «میکروب مزاحم» نیست
پوست، دهان، بینی و به‌ویژه دستگاه گوارش میزبان اجتماعات عظیم میکروبی‌اند. منبع تأکید می‌کند که این میکروارگانیسم‌ها می‌توانند بیماری‌زا باشند، اما در بیشتر مواقع با میزبان در هماهنگی زندگی می‌کنند و در تغذیه، ایمنی و سایر عملکردها نقش‌های مهم دارند.
مایع خارج‌سلولی؛ «محیط داخلی» بدن
حدود ۵۰ تا ۷۰٪ بدن بالغ مایع است. بیشتر این مایع داخل سلول‌ها قرار دارد، اما حدود یک‌سوم مایع بدن خارج سلول‌هاست. این مایع خارج‌سلولی یا ECF دائماً در گردش است و سلول‌ها اکسیژن، گلوکز، یون‌ها، آمینواسیدها و مواد دیگر مورد نیاز خود را از آن می‌گیرند؛ به همین دلیل کلود برنار آن را milieu intérieur یا «محیط داخلی» نامید.
مایع خارج‌سلولی (ECF)
- سدیم، کلر و بیکربنات بیشتر
- حاوی مواد غذایی مانند اکسیژن، گلوکز، اسیدهای چرب و آمینواسیدها
- حامل CO₂ از سلول به ریه
- حامل سایر مواد زائد به کلیه‌ها
مایع داخل‌سلولی (ICF)
- پتاسیم، منیزیم و فسفات بیشتر
- ترکیب یونی متفاوت از ECF
- اختلاف غلظت‌ها با مکانیسم‌های انتقالی غشا حفظ می‌شود
- این اختلاف برای عملکرد طبیعی سلول ضروری است
High-yield
«محیط داخلی» به معنی داخل سلول نیست؛ در اصطلاح فیزیولوژیک این فصل، مایع خارج‌سلولی محیط داخلی بدن است، چون سلول‌ها در آن زندگی می‌کنند.
همئوستاز یک فرایند پویاست، نه نگه‌داشتن یک عدد ثابت
والتر کانن در سال ۱۹۲۹ واژهٔ Homeostasis را برای حفظ شرایط پایدار محیط داخلی به‌کار برد. این پایداری ایستا نیست؛ بدن دائماً عملکردهای خود را تنظیم می‌کند تا با فعالیت روزمره، تغییرات محیط، آسیب و بیماری سازگار شود.
محدودهٔ قابل تحمل، نه مقدار ثابت
یون‌ها، مواد غذایی و محصولات زائد معمولاً در یک بازهٔ قابل تحمل تنظیم می‌شوند. بعضی متغیرها، مانند غلظت یون هیدروژن، بسیار دقیق‌تر از متغیرهای دیگر کنترل می‌شوند.
جبران همئوستاتیک در بیماری می‌تواند هزینه داشته باشد
منبع مثال می‌زند که در ناتوانی کلیه برای دفع نمک و آب، افزایش فشار خون در ابتدا می‌تواند دفع کلیوی را به سمت تعادل برگرداند؛ اما همین فشار بالا در بلندمدت به اندام‌ها، از جمله کلیه، آسیب می‌زند و ممکن است چرخهٔ بیماری را تشدید کند. بنابراین یک پاسخ جبرانی ممکن است برای بقا مفید ولی در درازمدت زیان‌آور باشد.
گردش خون، حمل و اختلاط مایع خارج‌سلولی
مایع خارج‌سلولی در بدن در دو مرحله جابه‌جا می‌شود: نخست، خون در شبکهٔ عروقی حرکت می‌کند؛ سپس در مویرگ‌ها، آب و مواد محلول میان پلاسما و مایع بینابینی مبادله می‌شوند.
راهنمای برچسب‌های شکل
خون در یک مدار پیوسته حرکت می‌کند؛ در ریه اکسیژن می‌گیرد و CO₂ پس می‌دهد، در دستگاه گوارش مواد غذایی را دریافت می‌کند، در کلیه‌ها ترکیب مایع خارج‌سلولی تنظیم می‌شود و در مویرگ‌ها تبادل با بافت انجام می‌گیرد.
راهنمای برچسب‌های شکل
فلش‌های دوطرفه نشان می‌دهند که آب و بسیاری از مواد محلول به‌طور مداوم میان پلاسما و مایع بینابینی جابه‌جا می‌شوند. پروتئین‌های پلاسما به دلیل اندازه بزرگ، به‌آسانی از دیواره مویرگ عبور نمی‌کنند.
چرا ECF تقریباً همگن می‌ماند؟
حرکت مداوم خون + تبادل سریع و دوطرفه در مویرگ‌ها باعث می‌شود پلاسما و مایع بینابینی دائماً با هم مخلوط شوند. حرکت جنبشی مولکول‌ها نیروی اصلی انتشار است.
دستگاه‌های بدن چگونه مواد لازم را وارد و محصولات زائد را حذف می‌کنند؟
سیستم اسکلتی ـ عضلانی هم در همئوستاز سهم دارد
نقش آن فقط حرکت نیست؛ حرکت امکان جست‌وجوی غذا و دورشدن از شرایط نامساعد محیطی را فراهم می‌کند و بنابراین به حفظ حیات و محیط داخلی کمک می‌کند.
سیستم عصبی، هورمونی، ایمنی و پوستی
سیستم عصبی
- ورودی حسی: دریافت وضعیت بدن و محیط
- مرکز یکپارچه‌سازی: مغز و نخاع
- خروجی حرکتی: اجرای پاسخ مناسب
- سیستم خودمختار: کنترل ناخودآگاه قلب، حرکات گوارش و ترشحات غدد
سیستم هورمونی
- هورمون‌ها از غدد، اندام‌ها و بافت‌ها آزاد می‌شوند
- از راه ECF به نقاط دیگر بدن می‌رسند
- تیروئید: سرعت واکنش‌های شیمیایی
- انسولین: متابولیسم گلوکز؛ هورمون‌های قشری آدرنال: Na⁺، K⁺ و پروتئین؛ PTH: کلسیم و فسفات استخوان
عصب و هورمون مکمل یکدیگرند
منبع به‌طور کلی سیستم عصبی را در کنترل بسیاری از فعالیت‌های عضلانی و ترشحی و سیستم هورمونی را در تنظیم بسیاری از عملکردهای متابولیک برجسته می‌کند؛ اما تأکید دارد که این دو معمولاً هماهنگ با هم کار می‌کنند.
اکسیژن، CO₂ و فشار شریانی چگونه تنظیم می‌شوند؟
راهنمای برچسب‌های شکل
اگر فشار از مقدار مناسب منحرف شود، گیرنده‌های فشاری تغییر کشش دیواره را حس می‌کنند و از طریق مرکز وازوموتور و سمپاتیک، قلب و عروق را طوری تنظیم می‌کنند که فشار به سمت مقدار مرجع برگردد.
در افت فشار، مسیر برعکس می‌شود
کشش بارورسپتورها کم می‌شود، مرکز وازوموتور فعال‌تر می‌شود، وازوکانستریکشن و افزایش پمپاژ قلب ایجاد می‌گردد و فشار به سمت طبیعی بالا می‌رود.
مقادیر مهم مایع خارج‌سلولی و حدود کوتاه‌مدت غیرکشنده
بقای سلول‌ها به نگه‌داشتن متغیرهای ECF در محدوده مناسب وابسته است. جدول فصل نشان می‌دهد که بعضی متغیرها دامنهٔ بسیار محدود و برخی دامنهٔ وسیع‌تری دارند. مهم‌تر از «عدد طبیعی»، شناخت فاصلهٔ آن با محدوده‌هایی است که اختلال شدید یا مرگ ایجاد می‌کنند.
| متغیر | مقدار طبیعی | محدوده طبیعی | حد تقریبی کوتاه‌مدت غیرکشنده | واحد |
|---|---|---|---|---|
| اکسیژن وریدی | ۴۰ | ۲۵–۴۰ | ۱۰–۱۰۰۰ | mm Hg |
| دی‌اکسیدکربن وریدی | ۴۵ | ۴۱–۵۱ | ۵–۸۰ | mm Hg |
| سدیم | ۱۴۲ | ۱۳۵–۱۴۵ | ۱۱۵–۱۷۵ | mmol/L |
| پتاسیم | ۴٫۲ | ۳٫۵–۵٫۳ | ۱٫۵–۹٫۰ | mmol/L |
| کلسیم | ۱٫۲ | ۱٫۰–۱٫۴ | ۰٫۵–۲٫۰ | mmol/L |
| کلر | ۱۰۶ | ۹۸–۱۰۸ | ۷۰–۱۳۰ | mmol/L |
| بیکربنات | ۲۴ | ۲۲–۲۹ | ۸–۴۵ | mmol/L |
| گلوکز | ۹۰ | ۷۰–۱۱۵ | ۲۰–۱۵۰۰ | mg/dL |
| دمای بدن | ۹۸٫۴°F (۳۷°C) | ۹۸–۹۸٫۸°F (۳۷°C) | ۶۵–۱۱۰°F (۱۸٫۳–۴۳٫۳°C) | °F (°C) |
| اسید–باز وریدی | ۷٫۴ | ۷٫۳–۷٫۵ | ۶٫۹–۸٫۰ | pH |
گلوکز پایین نیز محدودیت جدی دارد
در منبع ذکر شده است که کاهش گلوکز به کمتر از حدود نصف مقدار طبیعی می‌تواند تحریک‌پذیری شدید ذهنی و گاهی تشنج ایجاد کند.
بازخورد منفی، Gain، Feed-forward و Adaptive control
بیشتر سیستم‌های همئوستاتیک با بازخورد منفی کار می‌کنند: اگر متغیری بیش‌ازحد بالا یا پایین برود، پاسخ سیستم در جهتی است که آن تغییر اولیه را کاهش دهد.
بازخورد منفی
- خطا ابتدا رخ می‌دهد
- حسگر انحراف را تشخیص می‌دهد
- اثرکننده‌ها در جهت مخالف اختلال عمل می‌کنند
- هدف: نزدیک‌کردن متغیر به مقدار مناسب
Feed-forward
- در حرکات بسیار سریع، انتظار برای رفت‌وبرگشت کامل پیام بازخوردی کافی نیست
- مغز فرمان لازم را از قبل تولید می‌کند
- بازخورد حسی عملکرد را ارزیابی می‌کند
- خطاهای قبلی فرمان‌های آینده را اصلاح می‌کنند
Gain میزان اثربخشی سیستم بازخورد منفی در اصلاح اختلال را نشان می‌دهد.
مقایسه کارایی
در مثال فصل، Gain سیستم کنترل فشار بارورسپتوری حدود −۲ است، در حالی که Gain کنترل دمای داخلی بدن در سرمای متوسط حدود −۳۳ ذکر شده؛ بنابراین کنترل دما در آن شرایط بسیار مؤثرتر است.
Adaptive control چیست؟
اگر حرکت درست انجام نشود، اطلاعات حسی به مغز می‌رسد و مغز فرمان Feed-forward دفعات بعد را اصلاح می‌کند. منبع این فرایند را از یک نظر بازخورد منفی تأخیری می‌داند.
بازخورد مثبت؛ از چرخهٔ معیوب تا پاسخ‌های ضروری
در بازخورد مثبت، پاسخ ایجادشده اختلال اولیه را تقویت می‌کند. به همین دلیل برخلاف بازخورد منفی، ذاتاً ثبات‌آور نیست و در شرایط خاص می‌تواند یک چرخهٔ معیوب بسازد.
راهنمای برچسب‌های شکل
پس از خون‌ریزی حدود ۱ لیتر، سازوکارهای منفی می‌توانند افت عملکرد قلب را جبران کنند. اما پس از خون‌ریزی حدود ۲ لیتر یا بیشتر، کاهش فشار → کاهش خون‌رسانی کرونر → ضعف بیشتر قلب، یک حلقه تشدیدشونده می‌سازد که می‌تواند به مرگ برسد.
چرخهٔ معیوب خون‌ریزی شدید
خون‌ریزی شدید → کاهش حجم و فشار → کاهش خون‌رسانی کرونر → ضعف قلب → کاهش بیشتر پمپاژ → افت بیشتر فشار و جریان کرونر. هر دور چرخه، دور بعدی را تشدید می‌کند.
پارادوکس مهم
بازخورد مثبت مفید معمولاً بخشی از یک هدف کلی پایدارکننده است؛ مثلاً لخته‌شدن با تقویت محلی خود، در نهایت به حفظ حجم طبیعی خون کمک می‌کند.
تغییرپذیری فیزیولوژیک، تفاوت‌های جنسی و مرور نهایی
برخی متغیرها مانند غلظت K⁺، Ca²⁺ و H⁺ بسیار دقیق تنظیم می‌شوند، اما متغیرهایی مانند وزن بدن و چربی بدن دامنه بسیار گسترده‌تری دارند. فشار خون، فعالیت قلب، متابولیسم، فعالیت عصبی و هورمون‌ها نیز طی روز تغییر می‌کنند و بعضی متغیرها ریتم circadian حدود ۲۴ ساعته دارند.
Sex differences فراتر از هورمون‌هاست
فصل تأکید می‌کند که تفاوت‌های فیزیولوژیک میان زن و مرد فقط از سطح هورمون‌های جنسی ناشی نمی‌شوند. اثر مستقیم کروموزوم‌های X و Y بر بیان ژن و نیز مواجهه با استروئیدهای جنسی از اوایل زندگی می‌توانند پاسخ‌های فیزیولوژیک بزرگسالی را شکل دهند.
Sex و Gender یکسان نیستند
Sex در این بحث به عوامل زیستی اشاره دارد، در حالی که Gender می‌تواند عوامل اجتماعی ـ فرهنگی را نیز در بر گیرد؛ هر دو ممکن است در تفاوت‌های فیزیولوژیک و استعداد بیماری نقش داشته باشند.
۱. سلول
واحد زنده → تخصص عملکردی → تولید انرژی → بازسازی سلولی → ارتباط با میکروبیوتا
۲. ECF
محیط داخلی → Na⁺/Cl⁻/HCO₃⁻ بیشتر → مواد غذایی → حمل مواد زائد
۳. جابه‌جایی
گردش خون → مویرگ → انتشار دوطرفه → اختلاط پلاسما و مایع بینابینی
۴. سیستم‌های بدن
ریه + گوارش + کبد + کلیه + عصب + هورمون + ایمنی + پوست
۵. کنترل
بازخورد منفی → Gain → Feed-forward/Adaptive → بازخورد مثبت در شرایط خاص
۶. تغییرپذیری
سن + sex + ریتم روزانه + ژنتیک + محیط → «طبیعی» به‌صورت محدوده، نه عدد ثابت
دام‌های امتحانی
همئوستاز به معنی ثابت ماندن مطلق متغیرها نیست؛ بیشتر متغیرها در یک محدوده قابل تحمل تنظیم می‌شوند.
مایع خارج‌سلولی همان «محیط داخلی» بدن است؛ بیشتر مایع بدن داخل سلول‌ها قرار دارد و حدود یک‌سوم مایع بدن خارج سلول‌هاست.
ترکیب یونی ECF و ICF یکسان نیست: ECF غنی از Na⁺، Cl⁻ و HCO₃⁻ است، در حالی که ICF غنی از K⁺، Mg²⁺ و فسفات است.
اختلاف ترکیب ECF و ICF با مکانیسم‌های انتقالی غشای سلول حفظ می‌شود؛ صرفاً حاصل انتشار آزاد نیست.
جریان خون ECF را جابه‌جا می‌کند، اما اختلاط واقعی میان پلاسما و مایع بینابینی عمدتاً با انتشار در مویرگ‌ها انجام می‌شود.
پروتئین‌های پلاسما برخلاف بسیاری از مواد کوچک، به‌آسانی از دیواره مویرگ عبور نمی‌کنند.
در حالت استراحت کل خون تقریباً یک بار در دقیقه مدار را طی می‌کند؛ در فعالیت شدید این عدد می‌تواند تا حدود شش بار در دقیقه برسد.
سیستم عصبی و سیستم هورمونی رقیب هم نیستند؛ در کنترل اندام‌ها معمولاً هماهنگ و مکمل یکدیگر عمل می‌کنند.
بازخورد منفی همیشه متغیر را دقیقاً به مقدار اولیه برنمی‌گرداند؛ ممکن است مقداری «خطا» باقی بماند.
در محاسبه Gain، علامت منفی اهمیت دارد چون «اصلاح» در جهت مخالف اختلال اولیه است.
Gain بارورسپتور در مثال فصل −۲ است؛ یعنی حدود دوسوم اختلال اولیه اصلاح می‌شود، نه اینکه خطا صفر شود.
Feed-forward قبل از آشکار شدن کامل خطا عمل می‌کند؛ Adaptive control بر اساس نتیجه قبلی، فرمان feed-forward آینده را اصلاح می‌کند.
بازخورد مثبت ذاتاً پایدارکننده نیست و می‌تواند چرخه معیوب ایجاد کند؛ اما در لخته‌شدن خون، زایمان و پتانسیل عمل کاربرد مفید دارد.
بازخورد مثبت مفید معمولاً درون یک هدف کلی بزرگ‌تر که ماهیت پایدارکننده دارد قرار می‌گیرد.
«طبیعی» یک عدد مطلق برای همه افراد نیست؛ سن، جنس، وزن، رژیم، زمان روز، محیط و ژنتیک می‌توانند مقدار طبیعی را تغییر دهند.
تفاوت‌های فیزیولوژیک زن و مرد فقط به هورمون‌های جنسی محدود نمی‌شوند؛ اثر کروموزوم‌های X و Y بر بیان ژن نیز مطرح است.
تفاوت‌های ناشی از sex زیستی با تفاوت‌های gender ناشی از عوامل اجتماعی ـ فرهنگی یک مفهوم واحد نیستند.
جبران همئوستاتیک در بیماری همیشه بی‌ضرر نیست؛ ممکن است برای بقا لازم باشد ولی در درازمدت خود به آسیب بیشتر منجر شود.
سؤال و پاسخ مرور نهایی
جمع‌بندی یک‌خطی فصل
بدن یک «جامعهٔ سلولی» است که هر بخش آن از محیط داخلی پایدار سود می‌برد و در عین حال با انتقال مواد، دفع مواد زائد و سیستم‌های کنترل چندلایه به حفظ همان محیط کمک می‌کند؛ بیماری زمانی شکل می‌گیرد که این هماهنگی مختل شود یا جبران‌های لازم خود به منبع آسیب تبدیل شوند.